水利工程BIM應(yīng)用探索與實(shí)踐

陶麗佳，冷俊杰

（寧波市水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，浙江 寧波 315192）

1 問題的提出

BIM為Building Information Modeling的簡稱，是指建設(shè)工程的物理特征和功能特性等信息的數(shù)字化集成。BIM技術(shù)是指基于BIM的數(shù)字化承載和可視化表達(dá)等的成套技術(shù)。

BIM應(yīng)用的價(jià)值貫穿于工程的全生命周期[1]。①規(guī)劃階段可以建立可視化的溝通平臺(tái)[2]，提高論證的科學(xué)性及嚴(yán)謹(jǐn)性； ②設(shè)計(jì)階段能夠提高設(shè)計(jì)的表達(dá)能力[3]，促進(jìn)粗獷式設(shè)計(jì)向精細(xì)化設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變，降低溝通成本，輔助科學(xué)決策；③施工階段實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目成本的精細(xì)化管理和動(dòng)態(tài)管理[4]，規(guī)避施工風(fēng)險(xiǎn)，提高施工效率，降低施工成本；④運(yùn)行管理階段降低運(yùn)維成本[5]，提供應(yīng)急管理和節(jié)能減排措施。

未來水利發(fā)展的目標(biāo)是智慧水利，而智慧水利的核心是數(shù)據(jù)，可以預(yù)見BIM作為水利工程的數(shù)字化表達(dá)，將成為構(gòu)建智慧水利的重要組成部分。

2 BIM技術(shù)的多階段應(yīng)用

2.1 前期咨詢階段

以長塘泵站工程為例，位于寧波市鄞州區(qū)中心區(qū)域，距離慶豐橋西側(cè)約100 m處。工程在前期咨詢過程中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有長塘河右岸為軌道交通6號(hào)線紅線范圍，長塘河左岸布置有DN800自來水管，管道于距河道左岸約35 m位置。已建長塘閘正對(duì)現(xiàn)有長塘河主流，水閘兩側(cè)布置有空箱，水閘順?biāo)鞣较蜷L度基本與上游河道等寬，對(duì)于泵站進(jìn)水，需新開引渠與主泵房相連接。

工程周邊環(huán)境復(fù)雜，涉及規(guī)劃、國土、交通、城管、水利等多個(gè)部門，工程建設(shè)前期遇到2個(gè)問題：①各部門之間對(duì)于工程建設(shè)的理解相差較大，各自工程的空間關(guān)系不明確；②各部門無法了解工程建設(shè)對(duì)各自所管轄范圍可能存在的影響。

工程布置方案選擇，一方面影響工程的可行性及工程投資的估算，另一方面方案本身也需要獲得各主管部門的認(rèn)可。因此設(shè)計(jì)單位表達(dá)工程平面布置及對(duì)周邊環(huán)境設(shè)施的影響，對(duì)于主管部門科學(xué)決策至關(guān)重要。

以往類似工程，一般采用彩色平面及二維地形布置來展現(xiàn)工程平面布置方案。該過程往往需要2次以上的協(xié)調(diào)會(huì)議、多部門的單獨(dú)介紹，才能讓各部門對(duì)工程建設(shè)有充分的理解，形成巨大的溝通成本?，F(xiàn)行的二維概化模型既是便捷的計(jì)算及設(shè)計(jì)表達(dá)形式，也是設(shè)計(jì)人員的天然技術(shù)屏障，把非技術(shù)人員隔絕在外，其中就可能包括非行業(yè)內(nèi)的行政領(lǐng)導(dǎo)及決策層。

本工程中BIM技術(shù)的應(yīng)用，是在傳統(tǒng)二維圖紙表達(dá)設(shè)計(jì)成果的基礎(chǔ)上，利用Infraworks軟件構(gòu)建環(huán)境模型，包括橋梁、房屋、道路、河道、堤防、市政管線等模型；利用Revit軟件建立構(gòu)筑物模型，包括新建泵站、現(xiàn)有水閘、上下游連接段、新建橋梁、上部廠房等構(gòu)筑物模型（見圖1）。

利用Infraworks將環(huán)境模型與構(gòu)筑物模型整合后，形成工程前期的數(shù)字沙盤模型，以可視化的形式呈現(xiàn)水利工程、規(guī)劃文件、建設(shè)地塊信息、地形數(shù)據(jù)、管網(wǎng)信息、地貌信息等?；诒竟こ痰臄?shù)字沙盤模型，各方獲取各自所需的信息，了解工程建設(shè)的影響范圍，選擇符合各方要求的平面布置方案，效果見圖1。

圖1 B I M三維平面表達(dá)圖

由此可見，BIM技術(shù)的應(yīng)用在本工程前期咨詢階段，節(jié)約工程前期的溝通成本，提高決策質(zhì)量，體現(xiàn)了其可視化的優(yōu)勢(shì)，多專業(yè)的融入也是其協(xié)同化工作理念的呈現(xiàn)。

2.2 方案設(shè)計(jì)階段

目前展示設(shè)計(jì)方案的方式有2種，一種為CAD圖紙，一種為效果圖。傳統(tǒng)的CAD圖紙信息量富集程度低，易受限于圖面及設(shè)計(jì)人員水平，表達(dá)一個(gè)簡單的三維體，至少需要3張圖、3個(gè)視角，改動(dòng)的工作量也十分巨大，而且非技術(shù)人員往往無法準(zhǔn)確理解。效果圖基本是由效果圖公司制作，易受限于效果圖制作人員的技術(shù)水平、專業(yè)理解及角度，往往無法與真實(shí)景象匹配，基本無法展示細(xì)節(jié)。引入BIM技術(shù)采用模型虛擬漫游手段既可保留CAD圖紙的精確性，還能擁有如效果圖般直觀的展示效果。

以象山縣下沈港閘改建工程可行性研究階段為例，工程涉及水工、建筑、結(jié)構(gòu)、電氣、自動(dòng)化、金屬結(jié)構(gòu)、景觀等7大專業(yè)，應(yīng)用Revit軟件構(gòu)建模型。在Revit中通過共享項(xiàng)目基點(diǎn)，完成全專業(yè)模型的整合及拼接。

通過Lumion導(dǎo)出類插件，將整合完成后的模型導(dǎo)出為.dae文件，利用Lumion快速渲染軟件讀取.dae文件，設(shè)置合理的場(chǎng)景光線信息后，獲得基本接近于真實(shí)場(chǎng)景的虛擬漫游環(huán)境，漫游效果見圖2。根據(jù)設(shè)計(jì)的日常巡查路線錄制過程漫游視頻，即為最真實(shí)的可視化設(shè)計(jì)方案。

圖2 水閘室外漫游截圖

基于可視化的設(shè)計(jì)方案及業(yè)主運(yùn)維管理習(xí)慣，定制運(yùn)管設(shè)備布置方案、預(yù)設(shè)房間分隔布置，實(shí)現(xiàn)粗獷式設(shè)計(jì)向精細(xì)化設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)型，功能性設(shè)計(jì)向人性化設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)型。

運(yùn)用于仿真漫游中的Revit構(gòu)筑物模型，通過存儲(chǔ)為.dae、.fbx等中間格式，能夠快速導(dǎo)入Midas、ABAQUS等有限元分析軟件，其模型修改過程較分析計(jì)算軟件更為快捷，同時(shí)實(shí)現(xiàn)模型的多次重復(fù)應(yīng)用，避免分析計(jì)算軟件中的重復(fù)建模工作。

2.3 施工圖設(shè)計(jì)階段

以某閘站工程為例，由于建筑專業(yè)與結(jié)構(gòu)專業(yè)溝通不到位，廠房內(nèi)的聯(lián)系主梁布置于管理房中控室落地窗外，橫梁頂高高于中控室樓面1.6 m，橫梁本身高度為800 cm，施工完成后，管理人員無法通過窗戶觀察廠房內(nèi)的情況?，F(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)問題后，利用Revit構(gòu)建工程模型，比較多種改造方案，確保改造方案滿足中控室凈空要求和必要的觀察功能，改造后效果見圖3。

圖3 改造后中控室漫游圖

目前省內(nèi)施工圖審查主要側(cè)重于資質(zhì)的符合性、施工圖與初設(shè)成果的一致性、設(shè)計(jì)成果安全性、規(guī)范性。專業(yè)之間的協(xié)調(diào)性、凈空是否滿足功能需求并不作為必要的檢查項(xiàng)目。在施工圖階段應(yīng)用BIM技術(shù)的碰撞功能，可有效解決這些問題。由Revit構(gòu)建各專業(yè)施工圖階段的模型，在Navisworks軟件中對(duì)各專業(yè)模型進(jìn)行碰撞分析，以此調(diào)整各專業(yè)結(jié)構(gòu)布置，避免專業(yè)碰撞發(fā)生在施工階段，從而減少設(shè)計(jì)變更；通過漫游結(jié)合實(shí)時(shí)測(cè)量，對(duì)建筑物進(jìn)行凈空檢查，確保各房間設(shè)備布置后滿足凈空高度要求。

此外，基于Revit模型，通過剖切工具及出圖模塊剖切工程的任意部位，標(biāo)注后即可實(shí)現(xiàn)施工圖階段的剖面圖的繪制。由三維模型可以渲染獲取軸測(cè)圖，制圖質(zhì)量較手繪或CAD制圖更高；模型與圖紙為一體，模型修改圖紙相應(yīng)自動(dòng)調(diào)整；復(fù)雜結(jié)構(gòu)部位可減少繪制時(shí)間，可快速獲取任意截面，BIM施工圖效果見圖4。

2.4 施工階段

目前的傳統(tǒng)施工進(jìn)度安排方法大多為“工序+日期”、簡易橫道圖等，其準(zhǔn)確性低、可控性差。運(yùn)用BIM技術(shù)進(jìn)行施工進(jìn)度模擬，將二維施工進(jìn)度計(jì)劃與BIM模型進(jìn)行整合，形成4D進(jìn)度模擬，便于項(xiàng)目管理人員清晰了解整個(gè)工程進(jìn)度安排，發(fā)現(xiàn)每個(gè)環(huán)節(jié)的重點(diǎn)、難點(diǎn)，制定并完善進(jìn)度計(jì)劃，合理安排人力、材料、機(jī)械。施工圖階段構(gòu)建的BIM模型具有結(jié)構(gòu)體的完整幾何信息，軟件可通過布爾運(yùn)算獲取結(jié)構(gòu)體的體積、表面積等幾何信息，通過設(shè)置可編輯參數(shù)，標(biāo)記結(jié)構(gòu)的分部分項(xiàng)信息，幾何信息與分部分項(xiàng)信息組合掛接，由材質(zhì)提取明細(xì)表，自動(dòng)生成工程量表?；趯?dǎo)出的工程量表單，可以通過Excel中的VBA二次開發(fā)插件，計(jì)算工程所需的人、材、機(jī)，關(guān)聯(lián)施工進(jìn)度與工程量，指導(dǎo)施工單位合理安排。

圖4 某閘站泵房剖面B I M出圖

同時(shí)，也可以利用BIM對(duì)施工方案進(jìn)行模擬。以漾山路江閘站改造工程為例，該工程是將單向排澇泵站改為灌溉排澇雙向泵站，利用BIM構(gòu)建工程現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的模型，體現(xiàn)工程需要改造的結(jié)構(gòu)部位，利用BIM軟件自帶的階段化模擬期，整合改造過程中的各階段的模型，附加建造過程、施工工序、施工工藝等信息，利用視頻編輯軟件，進(jìn)行施工過程的可視化模擬。因此，施工方案的BIM模擬，相較于傳統(tǒng)的施工進(jìn)度安排方法，成果直觀、設(shè)計(jì)思想明確清晰，易于溝通表達(dá)，階段化模型渲染見圖5。

圖5 施工方案階段化模擬圖

另外，還可利用BIM技術(shù)更好地實(shí)現(xiàn)文明標(biāo)準(zhǔn)化工地布置。利用文明標(biāo)準(zhǔn)化工地標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建族，構(gòu)建不同階段的施工場(chǎng)地模型，在工地正式建設(shè)布置前預(yù)演場(chǎng)地布置，合理優(yōu)化施工進(jìn)場(chǎng)道路、材料堆放布置、施工機(jī)械布置，安全措施設(shè)置等。相較于傳統(tǒng)的CAD布置，利用場(chǎng)地布置與現(xiàn)場(chǎng)地形更為貼近，空間關(guān)系更加直觀。

3 結(jié) 語

BIM技術(shù)作為新興的工程數(shù)字化技術(shù)，根據(jù)工程各階段的側(cè)重點(diǎn)不同，其應(yīng)用重點(diǎn)也不同。前期咨詢階段，可利用BIM技術(shù)的可視化和協(xié)調(diào)性，輔助業(yè)主進(jìn)行科學(xué)決策；設(shè)計(jì)階段，利用BIM模型的可優(yōu)化性、模擬性，促進(jìn)粗獷式設(shè)計(jì)向精細(xì)化設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變，二維設(shè)計(jì)向三維正向設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變；施工階段，可利用BIM模型的參數(shù)性、模擬性，控制施工期成本，合理安排施工工序。實(shí)際應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)BIM軟件與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件有較大的差別，存在著較大的學(xué)習(xí)成本，但其價(jià)值也十分明顯，值得在水利工程建設(shè)中運(yùn)用推廣。